CN114400627A - 一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法及系统，通过获取直流线路保护安装处的正极、负极电压值和电流值，将正极、负极和极间测量电压的变化率分别与阈值进行比较，根据比较结果进行故障启动判断；将正极和负极电压故障分量的积分值与阈值进行比较，根据比较结果判断故障极；将正极、负极测量电流乘积的积分值与阈值进行比较，实现单极接地故障的区内、外识别；本发明可有效实现海上风电柔直系统的单极接地故障判别，具有较强的抗过渡电阻和抗噪声能力。

Description

一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法及系统
技术领域
本发明涉及直流继电保护领域，更具体的，涉及一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法及系统。
背景技术
近年来，随着海上风电装机容量和离岸距离的扩大和增加，柔性直流输电技术因其同时具有远距离输电损耗低、不会发生换相失败、可独立控制有功和无功等诸多优点，在海上风电领域的应用越来越广泛。直流线路故障的检测和保护是保证海上风电场运行安全和供电可靠性的重要基础。当发生单极接地故障时，非故障极暂态电压可能数倍于额定电压，并造成交流侧电压大幅偏移，影响柔直系统和交流电网运行安全。与此同时，单极接地故障时暂态故障电流小，且基本无稳态故障电流，故障线路检测面临较大困难。
针对上述问题，目前开展的相关研究工作，主要包括：针对柔直系统单极接地故障所提的保护方法：一种单极对地短路故障快速恢复保护策略,能够在交流侧低阻抗接地方式下避免交流断路器跳闸。一种附加控制器以加速电容电压再平衡,降低其对系统和控制参数的依赖。但二者在故障暂态特性分析中未考虑直流海缆分布电容更大带来的特殊性，近似忽略了线路电容的故障电流，导致所提保护方案不完全适用于海上风电柔直系统；基于电流变化率的方向纵联保护方法通过搭建的PSCAD/EMTDC模型,对单极接地故障时的电流上升率特性和设计的直流线路故障清除策略进行了验证，但构建保护判据时，仅考虑了单侧换流器的放电回路。这种做法在双极短路故障分析中是常见的，其原因在于双极短路时故障点的两侧电路已解耦。但对于单极接地故障，由于故障点两侧换流器依旧保持电气联系，仅考虑了单侧换流器放电回路的做法难以保证所提保护方案的可靠性。综上可知，针对柔直系统的单极接地故障，现有研究主要集中在以架空线为输电线路的常规陆上柔性直流输电系统，未充分考虑海底直流电缆分布电容更大所带来的特殊性，所提保护方法尚不完善。针对该问题，本发明提出一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，以满足海上风电柔直系统的故障判别需求。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法及系统，可有效实现海上风电柔直系统的单极接地故障判别，且具有较强的抗过渡电阻和抗噪声能力。
本发明采用如下的技术方案。
本发明一方面提供了一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取直流线路保护安装处的正极、负极电压值和电流值；
步骤2，将正极、负极和极间的测量电压变化率分别与阈值进行幅值比较，若正极或负极或极间的测量电压变化率大于阈值，判定发生直流系统故障，进入步骤3；若否，则判定未发生直流系统故障；
步骤3，将正极和负极电压故障分量的积分值分别与阈值进行幅值比较，若正极和负极电压故障分量的积分值均小于阈值，判定发生正极接地故障，进入步骤4；若否，则进入步骤5；
步骤4：将正极、负极测量电流乘积的积分值与阈值进行幅值比较，若正极、负极测量电流乘积的积分值均大于阈值，判定发生区内正极接地故障；若否，则判断发生区外正极接地故障；
步骤5，将正极和负极电压故障分量的积分值分别与阈值进行幅值比较，若正极和负极电压故障分量的积分值均大于阈值，判定发生负极接地故障，进入步骤6；若否，则判定未发生单极接地故障；
步骤6，将正极、负极测量电流乘积的积分值与阈值进行幅值比较，若正极、负极测量电流乘积的积分值均大于阈值，判定发生区内负极接地故障，若否，则判断发生区外负极接地故障。
优选地，步骤2中直流系统故障启动判据为：
Figure BDA0003412611480000021
式中；
up、un分别表示保护安装处的正极和负极测量电压，
t表示时间，
“∪”代表或门，
dUset为阈值。
优选地，所述阈值dUset取值为0.05～0.15p.u./ms。
优选地，步骤3中正极接地故障的故障选极判据为：
Figure BDA0003412611480000031
式中；
t1为故障时刻，
T1为该判据的积分数据窗，取值为3～5ms，
Udc为柔直系统的额定直流电压，
“∩”代表与门；
λ1为阈值。
优选地，步骤3中所述阈值λ1取值为–0.05～–0.03p.u.·ms。
优选地，步骤4中正极接地故障的区内、外识别判据为：
Figure BDA0003412611480000032
式中：
T2表示该判据的积分数据窗，取值为3～5ms，
ip，in分别表示直流线路保护安装处的测量电流，
IpN，InN分别为直流线路保护安装处的正常运行电流，
λ2为阈值。
优选地，步骤4中所述阈值λ2取值为0.06～0.1kA2·ms。
优选地，步骤5中负极接地故障的故障选极判据为：
Figure BDA0003412611480000033
式中：
T3为该判据的积分数据窗，取值为3～5ms，
λ3为阈值。
优选地，步骤5中所述阈值λ3取值为0.03～0.05p.u.·ms。
优选地，步骤6中负极接地故障的区内、外识别判据为：
Figure BDA0003412611480000041
式中：
T4为该判据的积分数据窗，取值为3～5ms，
λ4为阈值。
优选地，步骤10中所述阈值λ4取值为0.06～0.1kA2·ms。
本发明第二方面提供了一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护系统，包括：数据采集模块、直流系统故障判断模块、正极接地故障判断模块、正极区内/区外故障判断模块、负极接地故障判断模块、负极区内/区外故障判断模块，其中：
所述数据采集模块用于获取直流线路保护安装处的正极、负极电压值和电流值；
所述直流系统故障判断模块用于判定系统发生的故障是否为直流系统故障；
所述正极接地故障判断模块用于判断直流系统故障是否是正极接地故障；
所述正极区内/区外故障判断模块用于判定正极接地故障是区内故障还是区外故障；
所述负极接地故障判断模块用于判定直流系统故障是否是负极接地故障；
所述负极区内/区外故障判断模块用于判定负极接地故障是区内故障还是区外故障。
本发明的有益效果在于，本发明技术方案不同于现有技术主要集中在以架空线为输电线路的常规陆上柔性直流输电系统，而在故障判据构建中充分考虑了海底电缆电容的故障电流的影响，可有效实现海上风电柔直系统的单极接地故障判别，同时具有较强的抗过渡电阻和抗噪声能力。
附图说明
图1是本发明实施例中方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法及系统，包括有以下步骤：
步骤1，获取直流线路保护安装处的正极、负极电压值和电流值。
步骤2，将正极、负极和极间的测量电压变化率分别与阈值进行幅值比较，若正极或负极或极间的测量电压变化率大于阈值，判定发生直流系统故障，进入步骤3；若否，则判定未发生直流系统故障。
更具体地，直流系统故障启动判据为：
Figure BDA0003412611480000051
式中；
up、un分别表示保护安装处的正极和负极测量电压，
t表示时间，
“∪”代表或门，
dUset为阈值，取值为0.05～0.15p.u./ms，“p.u.”代表直流电压的标幺值。
步骤3，将正极和负极电压故障分量的积分值分别与阈值进行幅值比较，若正极和负极电压故障分量的积分值均小于阈值，判定发生正极接地故障，进入步骤4；若否，则进入步骤5；
更具体地，正极接地故障的故障选极判据为：
Figure BDA0003412611480000052
式中；
t1为故障时刻，
T1为该判据的积分数据窗，取值为3～5ms，
Udc为柔直系统的额定直流电压，
“∩”代表与门；
λ1为阈值，取值为–0.05～–0.03p.u.·ms，“p.u.”代表直流电压的标幺值。
步骤4：将正极、负极测量电流乘积的积分值与阈值进行幅值比较，若正极、负极测量电流乘积的积分值均大于阈值，判定发生区内正极接地故障；若否，则判断发生区外正极接地故障；
具体地，正极接地故障的区内、外识别判据为：
Figure BDA0003412611480000061
式中：
T2表示该判据的积分数据窗，取值为3～5ms，
ip，in分别表示直流线路保护安装处的测量电流，
IpN，InN分别为直流线路保护安装处的正常运行电流，
λ2为阈值，取值为0.06～0.1kA2·ms。
步骤5，将正极和负极电压故障分量的积分值分别与阈值进行幅值比较，若正极和负极电压故障分量的积分值均大于阈值，判定发生负极接地故障，进入步骤6；若否，则判定未发生单极接地故障；
具体地，负极接地故障的故障选极判据为：
Figure BDA0003412611480000062
式中：
T3为该判据的积分数据窗，取值为3～5ms，
λ3为阈值，取值为0.03～0.05p.u.·ms。
步骤6，将正极、负极测量电流乘积的积分值与阈值进行幅值比较，若正极、负极测量电流乘积的积分值均大于阈值，判定发生区内负极接地故障，若否，则判断发生区外负极接地故障。
负极接地故障的区内、外识别判据为：
Figure BDA0003412611480000063
式中：
T4为该判据的积分数据窗，取值为3～5ms，
λ4为阈值，取值为0.06～0.1kA2·ms。
本发明的实施例2提供了一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护系统运行所述的一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，包括：数据采集模块、直流系统故障判断模块、正极接地故障判断模块、正极区内/区外故障判断模块、负极接地故障判断模块、负极区内/区外故障判断模块，其中：
数据采集模块用于获取直流线路保护安装处的正极、负极电压值和电流值；
直流系统故障判断模块用于判定系统发生的故障是否为直流系统故障；
正极接地故障判断模块用于判断直流系统故障是否是正极接地故障；
正极区内/区外故障判断模块用于判定正极接地故障是区内故障还是区外故障；
负极接地故障判断模块用于判定直流系统故障是否是负极接地故障；
负极区内/区外故障判断模块用于判定负极接地故障是区内故障还是区外故障。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明技术方案不同于现有技术主要集中在以架空线为输电线路的常规陆上柔性直流输电系统，而在故障判据构建中充分考虑了海底电缆电容的故障电流的影响，可有效实现海上风电柔直系统的单极接地故障判别，同时具有较强的抗过渡电阻和抗噪声能力。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取直流线路保护安装处的正极、负极电压值和电流值；
步骤2，将正极、负极和极间的测量电压变化率分别与阈值进行幅值比较，若正极或负极或极间的测量电压变化率大于阈值，判定发生直流系统故障，进入步骤3；若否，则判定未发生直流系统故障；
步骤3，将正极和负极电压故障分量的积分值分别与阈值进行幅值比较，若正极和负极电压故障分量的积分值均小于阈值，判定发生正极接地故障，进入步骤4；若否，则进入步骤5；
步骤4：将正极、负极测量电流乘积的积分值与阈值进行幅值比较，若正极、负极测量电流乘积的积分值均大于阈值，判定发生区内正极接地故障；若否，则判断发生区外正极接地故障；
步骤5，将正极和负极电压故障分量的积分值分别与阈值进行幅值比较，若正极和负极电压故障分量的积分值均大于阈值，判定发生负极接地故障，进入步骤6；若否，则判定未发生单极接地故障；
步骤6，将正极、负极测量电流乘积的积分值与阈值进行幅值比较，若正极、负极测量电流乘积的积分值均大于阈值，判定发生区内负极接地故障，若否，则判断发生区外负极接地故障。
2.如权利要求1所述的一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，其特征在于：
步骤2中直流系统故障启动判据为：
Figure FDA0003412611470000011
式中；
up、un分别表示保护安装处的正极和负极测量电压，
t表示时间，
“∪”代表或门，
dUset为阈值。
3.如权利要求2所述的一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，其特征在于：
步骤2中所述阈值dUset取值为0.05～0.15p.u./ms。
4.如权利要求3所述的一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，其特征在于：
步骤3中正极接地故障的故障选极判据为：
Figure FDA0003412611470000021
式中；
t1为故障时刻，
T1为该判据的积分数据窗，取值为3～5ms，
Udc为柔直系统的额定直流电压，
“∩”代表与门；
λ1为阈值。
5.如权利要求4所述的一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，其特征在于：
步骤3中所述阈值λ1取值为–0.05～–0.03p.u.·ms。
6.如权利要求5所述的一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，其特征在于：
步骤4中正极接地故障的区内、外识别判据为：
Figure FDA0003412611470000022
式中：
T2表示该判据的积分数据窗，取值为3～5ms，
ip，in分别表示直流线路保护安装处的测量电流，
IpN，InN分别为直流线路保护安装处的正常运行电流，
λ2为阈值。
7.如权利要求6所述的一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，其特征在于：
步骤4中所述阈值λ2取值为0.06～0.1kA2·ms。
8.如权利要求7所述的一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，其特征在于：
步骤5中负极接地故障的故障选极判据为：
Figure FDA0003412611470000031
式中：
T3为该判据的积分数据窗，取值为3～5ms，
λ3为阈值。
9.如权利要求8所述的一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，其特征在于：
步骤5中所述阈值λ3取值为0.03～0.05p.u.·ms。
10.如权利要求9所述的一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，其特征在于：
步骤6中负极接地故障的区内、外识别判据为：
Figure FDA0003412611470000032
式中：
T4为该判据的积分数据窗，取值为3～5ms，
λ4为阈值。
11.如权利要求10所述的一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，其特征在于：
步骤10中所述阈值λ4取值为0.06～0.1kA2·ms。
12.一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护系统运行根据权利要求1至11中任意一项所述的一种海上风电柔直系统的单极接地故障保护方法，包括：数据采集模块、直流系统故障判断模块、正极接地故障判断模块、正极区内/区外故障判断模块、负极接地故障判断模块、负极区内/区外故障判断模块，其特征在于：
数据采集模块用于获取直流线路保护安装处的正极、负极电压值和电流值；
直流系统故障判断模块用于判定系统发生的故障是否为直流系统故障；
正极接地故障判断模块用于判断直流系统故障是否是正极接地故障；
正极区内/区外故障判断模块用于判定正极接地故障是区内故障还是区外故障；
负极接地故障判断模块用于判定直流系统故障是否是负极接地故障；
负极区内/区外故障判断模块用于判定负极接地故障是区内故障还是区外故障。
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